Tìm kiếm ảnh dựa vào nội dung ứng dụng tra cứu ảnh y tế

..

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT VÀ TRUYỀN THÔNG

Kiều Thị Hương Lan

TÌM KIẾM ẢNH DỰA VÀO NỘI DUNG ỨNG DỤNG
TRA CỨU ẢNH Y TẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

Thái Ngun - 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

– tnu.edu.vn


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT VÀ TRUYỀN THÔNG

Kiều Thị Hương Lan

TÌM KIẾM ẢNH DỰA VÀO NỘI DUNG ỨNG DỤNG
TRA CỨU ẢNH Y TẾ
Chuyên ngành : Khoa học máy tính
Mã số
: 60.48.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS Ngô Quốc Tạo

Thái Nguyên - 2011

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

– tnu.edu.vn


1

MỞ ĐẦU
Cùng với sự bùng nổ thông tin trên web và sự phát triển của công nghệ kỹ
thuật số, lượng ảnh lưu trữ trên Web cũng tăng một cách nhanh chóng. Vì vậy, việc
xây dựng các hệ thống tìm kiếm là rất cần thiết. Các cơng cụ tìm kiếm ảnh thường
dựa vào hai đặc trưng chính là văn bản đi kèm ảnh hoặc nội dung ảnh. Một số cơng
cụ tìm kiếm ảnh theo văn bản đi kèm như Google Image Search, Yahoo!,
MSN,…Một số cơng cụ tìm kiếm ảnh dựa vào nội dung ảnh như Google Image
Swirl, Bing, Tiltomo, Tineye,…
Tìm kiếm ảnh theo nội dung đã nhận được nhiều sự quan tâm của các nhà
khoa học. Khi số lượng ảnh trong một bộ sưu tập cịn ít, việc nhận diện một bức ảnh
hay việc so sánh sự giống và khác nhau giữa nhiều bức ảnh có thể thực hiện được
bằng mắt thường, tuy nhiên khi có số lượng rất lớn ảnh thì việc so sánh bằng mắt
thường là rất khó khăn, địi hỏi phải có những phương pháp hiệu quả và chính xác
hơn.
Trong thực tế, bài tốn tra cứu ảnh có nhiều ứng dụng quan trọng. Đặc biệt
trong lĩnh vực y học hiện nay việc ứng dụng tra cứu ảnh y tế cũng hết sức quan
trọng. Việc tìm ra một bức ảnh giống hoặc tương tự với ảnh mẫu hay không. Trong

trường nàu nếu sử dụng bằng mắt thường để duyệt thì sẽ tốn rất nhiều thời gian và
độ chính xác khơng cao, ngược lại nếu có các phần mềm cho phép tìm kiếm trong
cơ sở dữ liệu ảnh có sẵn những hình ảnh tương tự với hình ảnh mẫu thì việc đánh
giá và phát hiện bệnh lý sẽ dễ dàng hơn nhiều.
Trước năm 1990, người ta thường sử dụng phương pháp tra cứu ảnh theo văn
bản (Text Based Image Retrieval). Theo cách này người ta sẽ gán cho mỗi bức ảnh
một lời chú thích phù hợp với nội dung hoặc một đặc điểm nào đó của ảnh, sau đó
việc tra cứu ảnh được thực hiện dựa trên những lời chú thích này. Phương pháp này
khá đơn giản. Tuy nhiên, việc tìm kiếm chỉ dựa vào văn bản đi kèm cịn có nhiều
nhập nhằng giữa nội dung hiển thị ảnh và nội dung văn bản đi kèm ảnh trong quá
trình tìm kiếm. Ví dụ, với truy vấn “Apple”, máy tìm kiếm khó phân biệt được

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


2

người dùng muốn tìm hình ảnh quả táo hay logo của hãng Apple. Bên cạnh đó
phương pháp tra cứu ảnh dựa theo văn bản không thể áp dụng để tra cứu các cơ sở
dữ liệu ảnh có số lượng ảnh lớn.
Một trong những phương pháp được nhiều người quan tâm nghiên cứu hiện
nay là phương pháp “Tra cứu ảnh dựa theo nội dung” (Content Based Image
Retrieval). Ý tưởng phương pháp này là trích chọn các đặc điểm dựa vào nội dung
trực quan của ảnh như màu sắc, kết cấu, hình dạng và bố cục không gian của ảnh
để làm cơ sở cho việc tra cứu, sắp xếp, tổ chức cơ sở dữ liệu ảnh. Một số hệ thống
tra cứu ảnh nổi tiếng như QBIC (IBM), Virage (Virage Inc.), Photobook (MIT),
VisualSEEK (Columbia University)... đã áp dụng khá thành công phương pháp tra
cứu này. [7],[16],[17]

Nội dung của đề tài này giới thiệu cơ sở lý thuyết và các ứng dụng chính của
một số phương pháp tra cứu ảnh, trong đó đi sâu vào giới thiệu phương pháp tra cứu
ảnh theo nội dung ứng dụng tra cứu ảnh y tế. Trên những cơ sở đó tiến hành thử
nghiệm một phương pháp cụ thể để xây dựng một chương trình phần mềm tra cứu
ảnh cho phép đọc vào một ảnh mẫu và tìm kiếm những ảnh tương tự với ảnh mẫu
trong một tập hợp các ảnh cho trước theo hai đặc điểm là hình dạng và màu sắc của
ảnh.
Luận văn gồm có ba chương:
Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về tra cứu ảnh
Chƣơng 2: Một số phương pháp tìm kiếm ảnh theo nội dung
Chƣơng 3: Tra cứu ảnh y tế và giới thiệu một ứng dụng của phương pháp tra
cứu ảnh theo nội dung trong y tế; những hạn chế và khả năng mở rộng của chương
trình ứng dụng đó.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


3

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN VỀ TRA CỨU ẢNH
1.1. Tra cứu ảnh
Ngày nay, lĩnh vực tra cứu ảnh nhận được sự quan tâm ngày càng lớn. Lý
do một phần là sự phát triển của công nghệ chế tạo thiết bị thu nhận và lưu trữ
ảnh cũng như sự phát triển mạnh mẽ của mạng Internet. Người sử dụng trong
nhiều lĩnh vực khác nhau có cơ hội để truy cập và sử dụng các kho lưu trữ ảnh
thuộc đủ loại chủ đề và với nhiều kiểu định dạng ảnh khác nhau. Tuy nhiên
người ta cùng nhận thấy rằng việc tìm được một bức ảnh mong muốn trong bộ
sưu tập ảnh đa dạng có kích thước lớn là rất khó khăn.

Tra cứu ảnh là một quá trình tìm kiếm trong một cơ sở dữ liệu ảnh những
ảnh thoả mãn một yêu cầu nào đó. Ví dụ một người muốn tìm tất cả các ảnh
tương tự với một bức ảnh mẫu nào đó trong một cơ sở dữ liệu ảnh.
Vấn đề tra cứu ảnh đã được nhìn nhận rộng rãi và việc tìm kiếm các giải
pháp cho vấn đề này trở thành một lĩnh vực rất sôi động, thu hút sự quan tâm của
nhiều nhà nghiên cứu.
Những kỹ thuật tra cứu ảnh số đã được nghiên cứu từ cuối những năm 70
của thế kỷ 20. Năm 1979 một cuộc hội thảo chuyên đề về "Các kỹ thuật tổ chức
cơ sở dữ liệu cho các ứng dụng đồ hoạ" được tổ chức ở thành phố Florence,
Italia. Từ đó đến nay, khả năng ứng dụng cao của các kỹ thuật quản lý cơ sở dữ
liệu ảnh đã thu hút sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu [7].

1.2. Mơ hình hệ thống tra cứu ảnh theo nội dung
Phương pháp tra cứu ảnh theo nội dung (Content-Based Image Retrieval)
sử dụng các nội dung trực quan của ảnh như màu sắc, hình dạng, kết cấu
(texture) và phân bố không gian để thể hiện và đánh chỉ số các ảnh [7]. Trong
một hệ thống tra cứu ảnh theo nội dung điển hình (hình vẽ 1.1) các nội dung trực
quan của ảnh được trích chọn và mơ tả bằng những véctơ đặc trưng nhiều chiều.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


4

Tập hợp các véctơ đặc trưng của các ảnh trong một cơ sở dữ liệu ảnh tạo thành
cơ sở dữ liệu đặc trưng. Quá trình tra cứu ảnh được tiến hành như sau: Người sử
dụng cung cấp cho hệ thống tra cứu một ảnh mẫu cụ thể. Sau đó hệ thống sẽ
chuyển những mẫu này thành các véc tơ đặc trưng và tính tốn sự giống nhau

(hay độ tương tự) giữa véc tơ đặc trưng của ảnh mẫu và véc tơ đặc trưng của các
ảnh trong cơ sở dữ liệu. Sau cùng việc tra cứu được tiến hành với sự trợ giúp của
các sơ đồ đánh chỉ số. Sử dụng sơ đồ đánh chỉ số là cách hiệu quả để tìm kiếm
trong các cơ sở dữ liệu ảnh. Một số hệ thống tra cứu ảnh mới phát triển gần đây
còn tích hợp cả chức năng xử lý phản hồi của người sử dụng để cải tiến các qui
trình tra cứu và ra những kết quả tra cứu tốt hơn.

Phản hồi thích
hợp
Người
sử dụng
Tạo truy vấn

Cơ sở Dữ liệu
ảnh

Mơ tả
Nội dung
Trực quan
Mơ tả
Nội dung

Các Vector
Đặc trưng
Đánh giá độ
tương tự
Cơ sở Dữ liệu
Đặc trưng
Tra cứu và
Đánh chỉ số

Trực quan

Đầu ra

Kết quả tra cứu

Hình 1.1: Mơ hình hệ thống Tra cứu ảnh theo nội dung

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


5

Trong mơ hình này, người sử dụng sẽ tạo truy vấn bằng cách chọn một
ảnh mẫu trong một cơ sở dữ liệu ảnh cho trước hoặc phác thảo một hình vẽ mơ
tả đối tượng ảnh cần tìm bằng cách sử dụng một giao diện đồ hoạ của hệ thống.
Ảnh mẫu đó được đưa qua khối mơ tả nội dung trực quan, trong đó người
ta sử dụng một phương pháp mơ tả nội dung trực quan nào đó để trích chọn một
đặc điểm nội dung trực quan để xây dựng thành một véc tơ đặc trưng.
Véc tơ đặc trưng của ảnh mẫu sẽ được so sánh với véc tơ đặc trưng tương
ứng của các ảnh trong cơ sở dữ liệu ảnh. Kết quả của phép so sánh là một chỉ số
đánh giá độ tương tự giữa ảnh mẫu và ảnh lấy ra để so sánh.
Dựa vào chỉ số độ tương tự tính tốn được ở trên, hệ thống sẽ sắp xếp các
ảnh tìm được trong cơ sở dữ liệu ảnh theo một sơ đồ đánh chỉ số nào đó. Danh
sách các ảnh tìm được (đã được sắp xếp) được đưa ra đầu ra của hệ thống.

1.3. Một số hệ thống tra cứu ảnh theo nội dung tiêu biểu

1.3.1. Hệ thống QBIC (Query By Image Content)
Hệ thống QBIC của hãng IBM là một hệ thống tra cứu ảnh thương mại
đầu tiên và nổi tiếng nhất trong số các hệ thống tra cứu ảnh dựa trên nội dung.
Nó cho phép người sử dụng tra cứu ảnh dựa vào màu sắc, hình dạng và kết cấu.
QBIC cung cấp một số phương pháp: Simple, Multi-feature, và Multi-pass.
Trong phương pháp truy vấn Simple chỉ sử dụng một đặc điểm. Truy vấn Multifeature bao gồm nhiều hơn một đặc điểm và mọi đặc điểm đều có trọng số như
nhau trong suốt quá trình tìm kiếm. Truy vấn Multi-pass sử dụng đầu ra của các
truy vấn trước làm cơ sở cho bước tiếp theo. Người sử dụng có thể vẽ ra và chỉ
định màu, kết cấu mẫu của hình ảnh yêu cầu. Trong hệ thống QBIC màu tương
tự được tính tốn bằng độ đo bình phương sử dụng biểu đồ màu k phần tử và
màu trung bình được sử dụng như là bộ lọc để cải tiến hiệu quả của truy vấn [4].

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


6

1.3.2. Hệ thống Photobook
Hệ thống này được phát triển ở viện kỹ thuật Massachusetts. Nó cho phép
người sử dụng tra cứu ảnh dựa trên màu sắc, hình dạng và kết cấu. Hệ thống này
cung cấp một tập các thuật toán đối sánh gồm: Euclidean, mahalanobis, vector
space angle, histogram, Fourier peak, và wavelet tree distance như là những độ
đo khoảng cách. Hệ thống như là một công cụ bán tự động và có thể sinh ra một
mẫu truy vấn dựa vào những ảnh mẫu được cung cấp bởi người sử dụng. Điều
này cho phép người sử dụng trực tiếp đưa những yêu cầu truy vấn của họ với
những lĩnh vực khác nhau, và mỗi lĩnh vực họ có thể thu được những mẫu truy
vấn tối ưu [4].

1.3.3. Hệ thống VisualSEEK và WebSEEK
Cả hai hệ thống này đều được phát triển tại Trường Đại học Colombia.
VisualSEEK là hệ thống cơ sở dữ liệu ảnh. Nó cho phép người sử dụng tra cứu
ảnh dựa trên màu sắc, không gian miền và đặc điểm kết cấu. Thêm vào đó
VisualSEEK cịn cho phép người sử dụng tạo truy vấn bằng việc chỉ định vùng
màu và những khơng gian vị trí của chúng. WebSEEK là một catalog ảnh và là
cơng cụ tìm kiếm trên website [4].

1.3.4. Hệ thống RetrievalWare
Hệ thống này được phát triển bởi tập đồn cơng nghệ Excalibur cho phép
người sử dụng tra cứu ảnh bởi nội dung màu, hình dạng, kết cấu, độ sáng, kết
cấu màu và hệ số co. Người sử dụng có thể điều chỉnh tỷ trọng của những đặc
điểm này trong suốt quá trình tìm kiếm [4].

1.3.5. Hệ thống Imatch
Hệ thống này cho phép người sử dụng tra cứu ảnh bởi nội dung màu, hình
dạng, và kết cấu. Nó cung cấp một số phương pháp để tra cứu ảnh tương tự: Màu
tương tự, màu và hình dạng, màu và hình dạng mờ, và phân bố màu. Màu tương

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


7

tự để tra cứu những ảnh tương tự với ảnh mẫu dựa trên sự phân bố màu toàn cục.
Màu và hình dạng thực hiện tra cứu bởi việc kết hợp cả hình dạng, kết cấu và
màu. Màu và hình dạng mờ thực hiện thêm những bước xác định đối tượng trong
ảnh mẫu. Phân bố màu cho phép người sử dụng vẽ ra sự phân bố màu hoặc xác

định tỷ lệ phần trăm của một màu trong hình ảnh mong muốn. Imatch cũng cung
cấp những đặc điểm khác nội dung để xác định ảnh: ảnh nhị phân, lưu trữ trong
những định dạng khác và những ảnh có tên tương tự [4].

1.4. Một số ứng dụng cơ bản của tra cứu ảnh
Tra cứu ảnh được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực, những lĩnh vực thành
công bao gồm:
Ngăn chặn tội phạm: Từ dữ liệu ảnh gốc (có thể là ảnh chân dung, ảnh vân
tay) của đối tượng sau đó tìm trong cơ sở dữ liệu lưu trữ để có thể đưa ra thông
tin về lịch sử phạm tội của đối tượng.
Quân sự: Hỗ trợ giảng dạy và tra cứu vũ khí đạn dược trong nước và trên thế
giới, nâng cao khả năng tìm kiếm tài liệu, tiết kiệm rất nhiều thời gian giúp cho cán
bộ chuyên môn ở đơn vị khai thác, sử dụng hiệu quả vũ khí đạn dược đang quản lý.
Ngồi ra cịn ứng dụng trong các lĩnh vực sau : Quản lý tài sản trí tuệ, thiết

kế kiến trúc máy móc, thiết kế thời trang và nội thất, báo chí quảng cáo, chẩn
đốn y học, hệ thống thơng tin địa lý, di sản văn hóa, giáo dục và đào tạo, giải
trí…

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


8

CHƢƠNG II: MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TÌM KIẾM ẢNH THEO
NỘI DUNG
Nếu nhìn một cách tổng quát thì nội dung của một bức ảnh có thể bao
gồm cả nội dung trực quan và nội dung ngữ nghĩa.

Nội dung trực quan của ảnh lại được phân làm hai loại là nội dung tổng
quan và nội dung đặc tả. Nội dung tổng quan bao gồm màu sắc, kết cấu, hình
dạng và các quan hệ không gian giữa các đối tượng ảnh hoặc giữa các vùng ảnh.
Nội dung đặc tả thì tuỳ vào từng ứng dụng cụ thể, ví dụ với các ứng dụng tra cứu
ảnh người thì mặt người hoặc con mắt là các nội dung đặc tả; với các ứng dụng
tra cứu ảnh ơ tơ thì bánh xe là một nội dung đặc tả.
Nội dung ngữ nghĩa có thể phát hiện thơng qua các chú thích hoặc sử
dụng các phương pháp suy diễn từ nội dung trực quan.
Trong khuôn khổ của luận văn này chúng tôi chỉ tập trung vào việc mô tả
nội dung trực quan tổng quan của ảnh.
Một phương pháp mô tả nội dung trực quan được thiết kế tốt phải có tính
bất biến đối với các biến đổi bất thường sinh ra trong q trình xử lý ảnh (ví dụ
như những biến đổi bất thường của độ sáng của cảnh vật). Tuy nhiên cũng cần
phải chú ý tới sự cân bằng giữa tính bất biến và khả năng đáp ứng những thay
đổi tuỳ ý của các đặc trưng trực quan của ảnh, bởi vì một hệ thống có tính bất
biến lớn thì thường là khơng có tính nhạy cảm, mất khả năng phản ánh những
thay đổi nhỏ nhưng rất quan trọng.
Một phương pháp mô tả nội dung trực quan có thể là phương pháp tồn
cục hoặc phương pháp cục bộ. Phương pháp mơ tả nội dung tồn cục sử dụng
các đặc trưng trực quan của toàn bộ bức ảnh cịn phương pháp mơ tả nội dung
cục bộ lại sử dụng những đặc trưng trực quan của các vùng ảnh hoặc các đối
tượng ảnh để mô tả nội dung của ảnh.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


9

Để mô tả được nội dung cục bộ trước hết người ta phải chia ảnh thành các
phần riêng biệt. Cách đơn giản nhất để phân chia ảnh là sử dụng một bộ phân
hoạch chia ảnh thành các ơ có kích thước và hình dạng giống nhau. Cách phân
chia đơn giản như vậy khơng tạo ra được những vùng ảnh có ý nghĩa thực sự
nhưng nó là cách đơn giản để biểu diễn nội dung toàn cục của ảnh với độ chính
xác cao hơn. Một phương pháp phân chia tốt hơn là phân chia ảnh thành các
vùng đồng nhất dựa vào các tiêu chí sử dụng các thuật tốn phân vùng ảnh đã
được nghiên cứu và áp dụng trong ngành thị giác máy tính.
Một cách phức tạp hơn để phân chia ảnh là thực hiện phân chia theo các
đối tượng ảnh để tách ra các đối tượng ảnh có nghĩa thực sự (như quả bóng, cái ơ
tơ hay con ngựa).
Phần tiếp theo giới thiệu một số kỹ thuật đang được sử dụng rộng rãi để
trích chọn các đặc điểm màu sắc, kết cấu, hình dạng và các quan hệ khơng gian
của các đối tượng ảnh.

2.1. Phƣơng pháp trích chọn theo mầu sắc tổng thể và cục bộ
[6],[7],[11]
Tra cứu ảnh dựa trên màu sắc hầu hết là biến đổi dựa trên ý tưởng giống
nhau của các biểu đồ màu. Mỗi ảnh khi đưa vào tập hợp ảnh đều được phân tích,
tính tốn một biểu đồ màu. Sau đó, biểu đồ màu của mỗi ảnh sẽ được lưu trữ
trong cơ sở dữ liệu. Khi tìm kiếm, người sử dụng có thể xác định tỷ lệ của mỗi
màu mong muốn (ví dụ 75% Blue, 25% Red) hoặc đưa ra một ảnh mẫu với biểu
đồ màu đã được tính tốn. Q trình tra cứu sẽ đối sánh biểu đồ màu này với
biểu đồ màu trong cơ sở dữ liệu để tìm ra kết quả tương tự nhất. Kỹ thuật đối
sánh được sử dụng phổ biến nhất là biểu đồ màu giao nhau được phát triển đầu
tiên bởi Swain. Những kỹ thuật cải tiến từ kỹ thuật này ngày nay được sử dụng
rộng rãi trong các hệ thống tra cứu ảnh hiện thời. Kết quả của các hệ thống này
đã tạo những ấn tượng khá sâu sắc.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


10

2.1.1. Không gian mầu
Mỗi điểm ảnh trên một bức ảnh có thể được biểu diễn bằng một điểm
trong một khơng gian màu 3 chiều. Những không gian màu được sử dụng nhiều
nhất trong các hệ thống tra cứu ảnh là RGB, CIE L*a*b, CIE L*u*v, HSV,
YUV, YIQ và không gian màu đối lập.
Người ta cũng chưa chỉ ra được rằng không gian màu nào được sử dụng
tốt hơn cho việc tra cứu ảnh. Tuy nhiên tính chất quan trọng nhất để một không
gian màu phù hợp để sử dụng trong một hệ thống tra cứu ảnh là tính đồng nhất.
Một khơng gian màu được gọi là có tính đồng nhất nếu các cặp 2 màu tương tự
nhau trong không gian màu thì cũng được con người cảm nhận như nhau. Nói
một cách khác, khoảng cách đo được giữa hai màu bất kỳ phải có liên quan trực
tiếp với độ tương tự sinh học giữa hai màu đó.

2.1.1.1 Khơng gian màu RGB
RGB là không gian màu được sử dụng phổ biến nhất để hiển thị ảnh.
Không gian RGB bao gồm 3 thành phần màu là Đỏ (Red), Xanh lá cây (Green)
và Xanh lam (Blue). Các thành phần này gọi là màu cộng bởi vì các màu sắc
trong khơng gian RGB đều có thể thu được bằng cách cộng 3 thành phần màu
này lại với nhau.
Một màu trong không gian màu RGB đại diện cho một véc tơ với ba tọa
độ. Khi tất cả ba giá trị đều bằng 0 thì cho màu Black, khi tất cả ba giá trị đều
bằng 1 thì cho màu White.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


11

Hình 2.1. Khơng gian màu RGB.

2.1.1.2. Khơng gian màu CMY
Hệ thống màu CMY theo mơ hình in trên giấy trắng và theo khn mẫu
trừ từ màu trắng thay vì thêm vào từ màu đen như hệ thống màu RGB. CMY là
viết tắt của Cyan-Magenta-Yellow (màu lục lam, màu đỏ tươi, màu vàng), đó là
ba màu chính tương ứng với ba màu mực in. Cyan hấp thu sự chiếu sáng của
màu đỏ, Magenta hấp thu màu xanh lục, Yellow hấp thu màu xanh dương. Do
đó, tạo ra sự phản ánh tương ứng như khi in ảnh được chiếu sáng với ánh sáng
trắng. Hệ thống dưới dạng âm tính vì mã hóa theo dạng hấp thụ màu. Có một số
mã hóa như sau: trắng (0,0,0) vì khơng có ánh sáng trắng được hấp thụ, đen
(255,255,255) vì tất cả các thành phần của màu trắng đều được hấp thụ.
Hệ thống màu CMY dường như là một sự đảo ngược của hệ thống màu
RGB. Đặc tính của nó là sự đơn giản, ứng dụng nhiều trong thực tế. Tuy nhiên
khuyết điểm của nó cũng tương tự như không gian màu RGB, tức là cách mã hóa
khác với cách mà con người cảm nhận về màu sắc. Khơng thích hợp cho bài tốn
tìm kiếm ảnh dựa vào nội dung.

2.1.1.3 Khơng gian màu HSx

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn

12

Không gian màu HSI, HSV, HSB, HLS thường được gọi là HSx có mối
liên quan gần gũi với sự nhận thức về màu sắc của con người hơn là không gian
màu RGB.
Những trục từ không gian màu HSx mô tả những đặc tính của màu như
sắc độ, độ bão hồ và độ sáng. Sự khác nhau giữa những không gian màu HSx là
sự biến đổi của chúng từ không gian màu RGB, chúng thường được mơ tả bằng
những hình dạng khác nhau (như hình nón, hình trụ). Trong hình 2.2 khơng gian

màu HSV được mơ tả như hình nón.
Hình 2.2. Mô tả không gian màu HSV.

Sắc độ là thành phần của khơng gian màu HSx. Sắc độ là góc giữa những
đường tham chiếu và điểm gốc màu trong không gian màu RGB như hình 2.2.
Vùng giá trị này từ 00 đến 3600. Theo uỷ ban quốc tế về màu sắc CIE
(Commission International d'E clairage) thì sắc độ là thuộc tính của cảm giác có
liên quan đến thị giác, qua đó một vùng xuất hiện tương tự với một màu được
cảm nhận như red, green, blue hoặc là sự kết hợp của hai trong số những màu
được cảm nhận. Cũng theo CIE độ bão hoà là màu được đánh giá theo tỷ lệ độ
sáng của nó. Trong hình nón độ bão hồ là khoảng cách từ tâm đến cạnh hình
nón. Chiều cao của đường cắt chính là Value đây chính là độ sáng hoặc độ chói
của màu. Khi độ bão hồ S = 0 thì H khơng xác định, giá trị nằm trên trục V biểu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn

13

diễn ảnh xám. Không gian màu HSV dễ dàng lượng tử hố. Mức lượng tử hố
thơng dụng trong khơng gian màu này là 162 mức với H nhận 18 mức, S và V
nhận 3 mức.

2.1.1.4. Không gian màu YUV và YIQ
Không gian màu YUV và YIQ được phát triển cho truyền hình quảng bá.
Khơng gian màu YIQ cũng giống như YUV với mặt phẳng I-Q là mặt phẳng UV quay 330. Y mơ tả độ chói của điểm ảnh và chỉ sử dụng kênh đen trắng, U, V,
I, Q là mhững thành phần màu. Kênh Y được định nghĩa bởi trọng số của giá trị
R(0.299), G(0.587), B(0.144). Sơ đồ lượng tử hố cho khơng gian màu YUV và
YIQ thường được sử dụng là 125(53) hoặc 216(63) mức.

2.1.1.5. Không gian màu CIE XYZ và LUV
Không gian màu được phát triển đầu tiên bởi CIE là không gian màu
XYZ. Thành phần Y là là thành phần độ chói được định nghĩa bởi tổng trọng số
của R(0.212671), G(0.715160), B(0.072169), X và Z là các thành phần màu.
Không gian màu CIE LUV là sự biến đổi của không gian màu XYZ. Kênh L là
độ chói của màu, kênh U và V là những thành phần màu. Vì vậy khi U và V
được đặt bằng 0 thì kênh L biểu diễn ảnh xám. Trong lượng tử hố khơng gian
màu LUV mỗi trục được lượng tử hoá với mức xác định. Sơ đồ lượng tử hoá
thường được sử dụng cho hai không gian màu này là 64, 125, 216 mức.
Các không gian màu RGB và CIE có thể chuyển đổi với nhau, tức là
chúng ta có thể sử dụng các công thức để chuyển đổi một giá trị màu từ không
gian màu này sang không gian màu khác.

2.1.2. Lƣợng tử hố màu
Lượng tử hóa màu là quá trình làm giảm số màu sắc được sử dụng để mơ
tả ảnh. Việc lượng tử hóa màu trong khơng gian màu RGB được thực hiện bằng
cách chia khối hình lập phương lớn thành những khối nhỏ và mỗi khối nhỏ có

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


14

thể đại diện cho một màu đơn. Ví dụ chia hình lớn thành 64(4 3) hình nhỏ bằng
cách chia các trục Red, Green, Blue mỗi trục thành 4 phần nhỏ và tất cả các màu
sắc được xác định trong một hình khối nhỏ sẽ đại diện cho một màu đơn.
Với hệ thống máy tính hiện thời thì khơng gian RGB thường thể hiện bởi
hệ thống màu thực 24 bit. Trong hệ thống màu 24 bit thì mỗi màu được xác định
bằng 3 số nguyên:{Red, Green và Blue} và 3 số nguyên này nằm trong khoảng
từ 0 - 27 như vậy nó cho ta khoảng 16.777.216 màu (224). Bởi vì q trình lượng
tử hóa khơng gian màu RGB tương tự như q trình làm giảm số màu nên có thể
xác định số màu trong không gian màu một cách đơn giản là giảm số màu từ 24
bit màu xuống còn n3 màu như sau:
Khi giảm một màu {R, G ,B} 24 bit màu thành màu mới {R’, G’ ,B’} với
n3 màu ta đặt:

R' 

n*R
28

G' 

n*G
28

B' 

n*B
28

(2.1)

Vì vậy, sau khi giảm số màu sẽ có n*n*n=n3 màu.

2.1.3. Các moment màu
Các moment màu đã được sử dụng rất thành công trong nhiều hệ thống tra
cứu ảnh đặc biệt là khi ảnh chỉ chứa một đối tượng ảnh. Các thành phần moment
bậc nhất (trung vị), bậc hai (phương sai) và bậc ba (độ lệch) đã được chứng minh
là có thể được sử dụng rất hiệu quả để biểu diễn sự phân bố màu sắc của ảnh.
Cơng thức tốn học để biểu diễn 3 moment này như sau:
i 

1
N

N

f
j 1

ij

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

(2.2)

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


15

N

i 

1
N

( f

si  3

1
N

( f

j 1

ij

N

j 1

ij

 i ) 2

(2.3)

 i )3

(2.4)

Trong đó fij là giá trị của thành phần màu thứ i của điểm ảnh thứ j và N là
số lượng điểm ảnh của ảnh đó.
Sử dụng cả thành phần moment bậc ba si sẽ giúp tăng cường hiệu năng tra
cứu so với khi chỉ sử dụng các moment bậc nhất i và bậc hai i. Tuy nhiên đôi
khi việc sử dụng moment bậc 3 làm cho việc biểu diễn đặc trưng của ảnh nhạy
cảm hơn đối với những thay đổi của cảnh nền và do đó làm giảm khả năng của
hệ thống.
Do chỉ sử dụng 9 giá trị (3 moment cho mỗi màu trong bộ ba màu) để biểu
diễn nội dung màu của mỗi ảnh nên việc sử dụng moment màu để biểu diễn véc
tơ đặc trưng màu là rất đơn giản nếu so sánh với các phương pháp biểu diễn
khác. Và cũng chính do sự đơn giản đó nên phương pháp này cho kết quả khá
hạn chế.
Thông thường, phương pháp biểu diễn bằng moment màu được sử dụng
trong những bước đầu tiên của quá trình tra cứu ảnh với mục đích làm giảm kích
thước khơng gian tìm kiếm trước khi áp dụng các phương pháp phức tạp hơn để
tra cứu.

2.1.4. Biểu đồ màu (Color Histogram)
Biểu đồ màu để biểu diễn nội dung màu của một bức ảnh. Biểu đồ màu dễ

tính tốn và rất hiệu quả để biểu diễn cả sự phân bố màu tổng quan và sự phân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


16

bố màu cục bộ của ảnh. Ngoài ra, biểu đồ màu không bị ảnh hưởng bởi sự dịch
chuyển hay sự quay của ảnh và rất ít bị ảnh hưởng của tỉ lệ và góc nhìn ảnh.
Biểu đồ màu liên kết có bổ sung thêm các thơng tin khác mà khơng làm
giảm sự đơn giản của biểu đồ màu. Để đạt được điều này, người ta phải lựa chọn
rất cẩn thận các đặc trưng cục bộ sẽ bổ sung vào biểu đồ màu liên kết. Mỗi phần
tử trong biểu đồ màu liên kết chứa số lượng điểm ảnh trong ảnh được mô tả bởi
một bộ các giá trị đặc trưng. Như vậy biểu đồ màu liên kết là lược đồ biểu đồ
màu đa chiều.
Mặt khác, do biểu đồ màu không phản ánh được các thơng tin mang tính
khơng gian của các điểm ảnh, vì vậy về mặt lý thuyết, các ảnh rất khác nhau có
thể có sự phân bố màu tương tự nhau. Vấn đề này rất dễ xảy ra đối với các cơ sở
dữ liệu ảnh lớn. Người ta đã đề xuất một vài cách khác nhau để khắc phục vấn đế
này, một cách đơn giản nhất là chia các bức ảnh thành những phân vùng nhỏ hơn
và tính biểu đồ màu của từng phân vùng. Có thể sử dụng phương pháp phân
vùng đơn giản là phân thành các hình chữ nhật đồng đều hoặc phức tạp hơn là
phân theo các vùng ảnh hoặc các đối tượng ảnh. Ảnh được phân vùng càng nhỏ
thì độ chính xác càng cao nhưng khối lượng tính tốn cũng nhiều hơn.
Ta có thể sử dụng tập hợp của các mức mà mỗi mức chỉ ra số pixel của
một màu riêng biệt trong ảnh. Biểu đồ màu H cho ảnh được định nghĩa như là
một vector: H={H[0], H[1], H[2], ..., H[i], ...H[N]}. Ở đây i đại diện cho một
màu trong biểu đồ màu và tương ứng với một hình vng nhỏ trong khơng gian

màu RGB, H[i] là số điểm có màu i trong ảnh, và N là số mức trong biểu đồ màu
tức là số màu trong không gian màu được chấp nhận.
Trong biểu đồ màu của ảnh, giá trị của mỗi mức sẽ là tổng số điểm ảnh có
cùng màu tương ứng. Để so sánh những ảnh có kích cỡ khác nhau biểu đồ màu
nên được chuẩn hóa và biểu đồ màu chuẩn hóa được định nghĩa như sau:
H’={H’[0], H’[1], H’[2], ..., H’[i], ...H’[N]}

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

(2.5)

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


17

Với H ' [i] 

H [i]
và P là tổng số các điểm trong ảnh.
P

Một lượng tử hóa khơng gian màu lý tưởng sao cho những màu khác biệt
không được định vị trong cùng một hình khối nhỏ, và những màu tương tự nên
gán cho cùng một hình khối nhỏ. Sử dụng ít màu sẽ làm giảm khả năng những
màu tương tự được gán cho những mức khác nhau nhưng nó làm tăng khả năng
những màu phân biệt được gán cho những mức giống nhau, và vì vậy nội dung
thơng tin của ảnh sẽ bị giảm đáng kể. Mặt khác biểu đồ màu với số lượng lớn các
mức sẽ chứa nhiều thơng tin về nội dung ảnh hơn, nhưng nó làm giảm khả năng
các màu riêng biệt sẽ được gán cho các mức khác nhau, tăng không gian lưu trữ

cơ sở dữ liệu, tăng thời gian tính tốn khoảng cách giữa các biểu đồ. Chính vì thế
cần phải có sự cân nhắc trong việc xác định bao nhiêu mức nên được sử dụng
trong biểu đồ màu.

2.1.4.1. Biểu đồ màu toàn cục (Global Color Histogram)
Biểu đồ màu loại này mô tả phân bố màu sử dụng tập các mức. Việc sử
dụng biểu đồ màu toàn cục (gọi tắt là GCH trong luận văn này) thì một ảnh sẽ
được mã hóa với biểu đồ màu của nó và khoảng cách giữa hai ảnh sẽ được xác
định bởi khoảng cách giữa những biểu đồ màu của chúng. Với kỹ thuật này
chúng ta có thể sử dụng các độ đo khác nhau để tính tốn khoảng cách giữa hai
biểu đồ màu. Ví dụ dưới đây sẽ mơ tả hoạt động của kỹ thuật này:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


18

Hình 2.3. Ba ảnh và biểu đồ màu của chúng.

Trong biểu đồ màu ví dụ có 3 mức: Black, white and grey. Ta kí hiệu biểu
đồ màu của ảnh A:{25%, 25%, 50%}; biểu đồ màu của ảnh B: {18.75%, 37.5%,
43.75} và ảnh C có biểu đồ màu như ảnh B. Nếu sử dụng độ đo khoảng cách
Euclidean để tính tốn khoảng cách biểu đồ thì khoảng cách giữa hai ảnh A và B
cho biểu đồ màu toàn cục là:

d GCH ( A, B)  (0.25  0.1785) 2  (0.25  0.375) 2  (0.5  0.4375) 2  0.153
và dGCH(A,C) = dGCH(A,B), dGCH(B,C)=0.
GCH là một phương pháp truyền thống cho việc tra cứu ảnh dựa trên màu

sắc. Mặc dù vậy, nó khơng chứa các thơng tin liên quan đến sự phân bố màu của
các vùng. Do đó, khoảng cách giữa các ảnh đôi khi không thể chỉ ra được sự
khác nhau thực sự giữa chúng. Ví dụ, khoảng cách giữa ảnh Avà C khác so với
khoảng cách giữa ảnh A và B nhưng bằng việc xây dựng GCH thì lại thu được
khoảng cách tương tự. Ngồi ra cịn có trường hợp hai ảnh khác nhau có GCH
giống nhau như ví dụ trên ảnh B và C và đây chính là hạn chế của biểu đồ màu
tồn bộ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


19

2.1.4.2. Biểu đồ màu cục bộ (Local Color Histogram)
Phương pháp này được đề cập (gọi tắt là LCH) bao gồm thông tin liên
quan đến sự phân bố màu của các vùng. Trước tiên là nó phân đoạn ảnh thành
nhiều khối và sau đó biểu diễn biểu đồ màu cho mỗi khối, một ảnh sẽ được biểu
diễn bởi những biểu đồ màu này. Khi so sánh hai hình ảnh, khoảng cách được
tính tốn bằng cách sử dụng những biểu đồ của chúng giữa một vùng trong một
ảnh và một vùng tương ứng trong ảnh khác. Khoảng cách giữa hai ảnh được xác
định bằng tổng tất cả các khoảng cách này. Nếu sử dụng căn bậc hai của khoảng
cách Euclidean để tính tốn khoảng cách biểu đồ thì khoảng cách giữa hai ảnh Q
và I cho biểu đồ màu cục bộ là:
M

d (Q, I )  
k 1

N

 (H
i 1

k
Q

[i]  H Ik [i]) 2

(2.6)

Ở đây M là số vùng được phân đoạn trong ảnh, N là số mức trong biểu đồ
màu và H[i] là giá trị của mức i trong biểu đồ màu đại diện cho vùng k của ảnh.
Những ví dụ dưới đây sử dụng những hình ảnh giống nhau như hình 2.4 để chỉ ra
hoạt động của LCH và minh họa việc phân đoạn ảnh thành 4 khối có kích cỡ
bằng nhau như thế nào.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


20

Hình 2.4. Sử dụng LCH để tính tốn khoảng cách giữa ảnh A và B
dLHC(A,B) = 1.768, dGHC(A,B) = 0.153

d LCH ( A, B)  (0.50  0.25) 2  (0.25  0.25) 2  (0.25  0.5) 2 +
(0.50  0) 2  (0.25  0.75) 2  (0.25  0.25) 2 +

(0  0.25) 2  (0.25  0.25) 2  (0.75  0.5) 2 +
(0  0.25) 2  (0.25  0.25) 2  (0.75  0.5) 2  1.768

2.2. Phƣơng pháp trích chọn đặc trƣng theo kết cấu [6],[7],[16]
Kết cấu (texture) là một tính chất quan trọng khác của ảnh. Kết cấu là một
thành phần có ảnh hưởng rất quan trọng đối với sự nhận thức trực quan của con

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


21

người. Tất cả mọi người đều có thể nhận ra kết cấu nhưng lại rất khó có thể định
nghĩa chính xác nó là gì.
Khơng giống như màu sắc, kết cấu “xảy ra” trên một vùng chứ không phải
tại một điểm ảnh và thường được định nghĩa bằng các mức xám.
Rất nhiều cách thể hiện kết cấu đã được nghiên cứu trong lĩnh vực nhận
dạng và thị giác máy tính. Xét một cách cơ bản, các phương pháp biểu diễn kết
cấu có thể được chia thành hai loại: Phương pháp cấu trúc và phương pháp thống
kê.
Các phương pháp cấu trúc bao gồm các tốn tử hình thái và đồ thị liền kề,
mô tả kết cấu bằng cách định nghĩa các nguyên thuỷ cấu trúc và luật sắp đặt của
chúng. Các phương pháp này tỏ ra có hiệu quả khi áp dụng trong trường hợp kết
cấu thông thường.
Các phương pháp thống kê bao gồm: Phương pháp phổ năng lượng
Fourier, ma trận đồng khả năng, Tamura, Phân tích Wold, trường ngẫu nhiên
Markov, mơ hình fractal, các bộ lọc đa phân giải như biến đổi Gabor và biến đổi
dạng sóng... thể hiện kết cấu bằng sự phân bố thống kê của độ sáng của các điểm

ảnh.
Phần tiếp theo sẽ trình bày một số phương pháp biểu diễn kết cấu được sử
dụng rộng rãi và có hiệu quả trong các hệ thống tra cứu ảnh theo nội dung.

2.2.1. Các đặc trƣng Tamura
Các đặc trưng Tamura bao gồm độ thô, độ tương phản, độ định hướng, độ
tuyến tính, độ đồng đều và độ gồ ghề, được thiết kế phù hợp với sự cảm nhận
của thị giác con người đối với kết cấu.
Ba thành phần đầu tiên của các đặc trưng Tamura là độ thô, độ tương phản
và độ định hướng được dùng nhiều nhất trong các hệ thống tra cứu ảnh nổi tiếng
như QBIC, Photobook.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


22

Cách tính tốn các đại lượng đặc trưng này như sau:
Độ thơ
Độ thơ được dùng để đo tính chất hạt của kết cấu. Để tính tốn độ thơ, tại
mỗi điểm ảnh (x,y) ta tính tốn một trung bình động (average moving) A k(x,y)
sử dụng một cửa sổ kích thước 2kx2k (k = 0, 1, ..., 5):

Ak ( x, y) 

x  2 k 1 1 y  2

k 1

1

  g (i, j) / 2

2k

(2.7)

i  x  2 k 1 j  y  2 k 1

Trong đó g(i,j) là độ sáng của điểm ảnh ở vị trí (i,j).
Bước tiếp theo là tính tốn sự khác nhau giữa các cặp trung bình động
khơng chồng lấn lên nhau theo chiều dọc và chiều ngang của các điểm ảnh:
Ek , h ( x, y ) | Ak ( x  2k 1 , y )  Ak ( x  2k 1 , y ) |

(2.8)
Ek , v ( x, y ) | Ak ( x, y  2k 1 )  Ak ( x, y  2k 1 ) |

(2.9)

Sau đó, giá trị k nào làm cho E lớn nhất theo bất kỳ chiều nào sẽ được sử
dụng để đặt cho kích thước tốt nhất cho mỗi điểm ảnh, nghĩa là:
Sbest(x,y) = 2k
(2.10)
Độ thơ được tính tốn bằng cách lấy giá trị trung bình của S best trên phạm
vi tồn bức ảnh, nghĩa là:
Fcrs 

1 m


m.n i 1

n

S
j 1

best

(i, j )

(2.11)

Ngồi ra người ta cũng có thể tính tốn độ thơ bằng cách sử dụng
histogram để tính tốn sự phân bố của Sbest. Nếu so sánh với việc chỉ dùng một
giá trị để thể hiện độ thơ thì các tính tốn độ thơ kiểu histogram có thể giúp cải

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn


23

thiện đáng kể hiệu năng của hệ thống tra cứu ảnh vì cách này có khả năng phù
hợp với các ảnh hoặc vùng ảnh có nhiều loại kết cấu.
Độ tƣơng phản
Cơng thức tính độ tương phản như sau:
Fcon 


4 
4

Trong đó

(2.12)
4 

4
 4 ,  4 là moment thứ tư (trung vị) và  2 là độ biến đổi.

Công thức này có thể sử dụng trên tồn bức ảnh hoặc trong một vùng ảnh nào
đó.
Độ định hƣớng
Để tính tốn độ định hướng, ta nhân chập ảnh với 2 ma trận kích thước
1 0 1
1 0 1

3×3 là  1 0 1

1
0

và

1
0

1
0

1 1 1

sau đó tính tốn véc tơ gradient cho mỗi

điểm ảnh.
Độ lớn và góc pha của véc tơ này được định nghĩa như sau:
| G |

|  H |  | V |
2

(2.13)

V

)
H
2

(2.14)

  tan 1 (

trong đó H và V là các sai khác theo chiều ngang và chiều dọc của tích
chập.
Sau đó bằng cách lượng tử hố  và đếm số điểm ảnh có trọng số |G| lớn
hơn một mức ngưỡng nào đó ta có thể xây dựng được histogram của  và ký

hiệu là HD. Histogram này sẽ có nhiều đỉnh cực đại nếu ảnh có độ định hướng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

http;//www.lrc-tnu.edu.vn